¿Qué es una aleación a base de níquel?

Una aleación a base de níquel es una aleación en la que el níquel es el elemento sobre el que se construye la estructura y es la estructura la que decide la clase. El elemento base no se elige tanto por sus propias propiedades como por el hecho de que mantendrá una gran cantidad de otros elementos en solución sin cambiar su forma cristalina. Esto es lo que hace que la familia sea tan amplia y también la razón por la que no puede describirse mediante una lista única de propiedades.

Es necesario establecer una distinción antes de las categorías, porque es la fuente de la mayor parte de la confusión sobre el tema. Una aleación a base de níquel es más ancha que una aleación de alta temperatura a base de níquel. Las aleaciones de alta temperatura, también llamadas superaleaciones, son una clase definida por la temperatura de servicio: la definición publicada es una aleación que se puede utilizar por encima de aproximadamente 0,7 de su temperatura de fusión absoluta, donde la resistencia a la fluencia y a la oxidación son los criterios de diseño que rigen. Las superaleaciones se construyen sobre una base de hierro, una base de cobalto o una base de níquel, por lo que la base de níquel es una opción dentro de esa clase, y la clase no abarca toda la metalurgia del níquel.

El níquel puro y las aleaciones de níquel-cobre son aleaciones a base de níquel que no son superaleaciones. Las aleaciones de precisión, de las cuales las más conocidas son las calidades magnéticas blandas, también quedan fuera de la clase de temperatura. Lo mismo ocurre con la familia de la memoria de forma. Tratar los dos términos como sinónimos hace que las categorías siguientes sean imposibles de expresar con precisión, y las secciones siguientes las mantienen separadas.

¿Qué hace que una aleación sea a base de níquel?

La matriz es la que lleva el nombre. Si la fase continua en el material acabado es níquel, la aleación es a base de níquel, cualesquiera que sean los demás elementos y cualquiera que sea la aplicación. Por lo tanto, la gama de composiciones es enorme, ya que la familia abarca desde un níquel comercialmente puro al 99,6 % hasta una superaleación endurecida por precipitación con una docena de adiciones deliberadas.

Por qué el níquel mantiene su estructura

El punto estructural del que se deriva todo lo demás es fácil de enunciar. El níquel es cúbico centrado en las caras y permanece cúbico centrado en las caras. No existe una transformación alotrópica entre la temperatura ambiente y el punto de fusión, por lo que calentar una aleación de níquel no cambia la disposición de su red.

El hierro se transforma. Esa diferencia es la razón por la que una base de níquel tolera una química que una base de hierro no puede: se pueden agregar elementos en grandes cantidades a una matriz que no se reorganizará debajo de ellos. La consecuencia para un comprador es la razón por la que una sola familia de aleaciones puede abarcar tareas de corrosión, servicio eléctrico y servicio de alta temperatura sin que la metalurgia se vuelva contradictoria.

El límite de cuánto se puede agregar no es un número fijo. Se alcanza cuando la aleación comienza a desprender fases que nunca fueron previstas, y las que se deben evitar son bien conocidas. Son quebradizos en sí mismos y eliminan de la matriz los mismos elementos que se agregaron para fortalecerla, por lo que el daño se duplica.

No existe una regla simple para la concentración a la que aparece cualquiera de estos. La guía publicada es que los límites de composición deben leerse o medirse a partir de un diagrama de fases para el sistema particular, razón por la cual no se puede escribir una especificación de aleación sumando los elementos beneficiosos y deteniéndose.

Las dos formas en que se fortalece una aleación de níquel

Fortalecer significa hacer más difícil que una dislocación se mueva a través de la red. Las aleaciones de níquel se refuerzan de dos maneras y la mayoría de los grados comerciales utilizan ambas.

Manteniendo átomos en solución.

Un átomo de diferente tamaño colocado en la red de níquel lo distorsiona localmente y hace que la red sea más difícil de deslizar. La lista publicada de elementos que actúan de esta manera tanto en la matriz como en el precipitado incluye cobalto, hierro, cromo, niobio, tantalio, molibdeno, tungsteno, vanadio, titanio y aluminio. El efecto es real pero modesto y se mantiene a cualquier temperatura hasta el punto en que los propios átomos comienzan a difundirse.

Precipitando una fase ordenada

El segundo mecanismo es el que da a la familia su carácter de alta temperatura y depende de una coincidencia estructural. Agregar aluminio o titanio a una base de níquel produce una microestructura de dos fases: una matriz, escrita γ, con partículas de una fase intermetálica, escrita γ′, dispersas a través de ella. Las dos redes son similares en tamaño y alinean celda por celda, una relación que la descripción publicada llama cubo-cubo, y por lo tanto la partícula es coherente con la matriz mientras es pequeña.

Esa coincidencia produce tres beneficios distintos a la vez. La interfaz entre las dos fases tiene poca energía, por lo que las partículas resisten el engrosamiento, que es una estabilidad estructural que importa a temperatura. La partícula está ordenada atómicamente y ese orden obstruye el paso de las dislocaciones. Y debido a que el engrosamiento se debe a la reducción de la energía interfacial, una interfaz coherente ralentiza el mismo proceso que, de otro modo, suavizaría la aleación.

La proporción de aluminio a titanio es un control, no un detalle. Establece el tamaño y el signo del desajuste entre las dos redes, y un desajuste negativo, es decir, un precipitado con la célula más pequeña, promueve la formación de estructuras estratificadas bajo carga. El relato publicado señala que esto puede reducir la tasa de fluencia.

Fijando los límites de los granos

Un tercer grupo de adiciones no fortalece en absoluto el interior de los granos. El boro y el circonio se segregan en los límites de los granos, y la reducción de la energía límite que sigue se asocia con una mejor resistencia a la fluencia y una mejor ductilidad cuando, de otro modo, la falla se produciría al separarse los granos. Los elementos formadores de carburo se comportan de manera relacionada: los carburos tienden a precipitar en los límites y reducir el deslizamiento a lo largo de ellos.

¿Cuánto precipitado necesita un deber?

La proporción de la fase ordenada en la microestructura se puede establecer mediante el tratamiento térmico, y las cifras publicadas muestran hasta qué punto la necesidad avanza con el trabajo. Este es el número más útil de la página para un comprador, porque explica por qué dos aleaciones con composiciones similares se suministran en estados de ánimo completamente diferentes.

La misma fuente da la temperatura a la que ese mecanismo empieza a fallar. La resistencia de estas aleaciones es notablemente insensible a la temperatura hasta cierto punto, y la cifra publicada para el límite es de unos 600 °C, más allá del cual la activación térmica es suficiente para que las dislocaciones superen los obstáculos. Ésa es la razón por la que la fracción aumenta tan bruscamente en las aplicaciones más calientes, y no porque la aleación simplemente se haga más dura.

La clasificación que un comprador realmente necesita

Las categorías siguientes están organizadas según el servicio para el que se compra la aleación, que es la forma en que se solicita el material. Cada uno es un conjunto diferente de elementos que realizan un trabajo diferente, y la columna de temperatura es la parte que con mayor frecuencia presenta errores.

Preguntas que hacen los compradores

¿Es lo mismo una aleación a base de níquel que una superaleación a base de níquel?

No, y la diferencia es importante cuando se escribe una especificación. Una superaleación se define por su temperatura de servicio, por encima de aproximadamente 0,7 de su temperatura de fusión absoluta, y puede construirse sobre una base de hierro, cobalto o níquel. Una aleación a base de níquel se define por su matriz: la fase continua es el níquel. El níquel comercialmente puro, las aleaciones de níquel-cobre, los grados magnéticos suaves de precisión y las aleaciones con memoria de forma son todas aleaciones a base de níquel, y ninguna de ellas es una superaleación.

¿Por qué se utiliza níquel como base en lugar de hierro?

Porque la matriz no cambia de forma cristalina. El níquel permanece cúbico centrado en las caras desde la temperatura ambiente hasta su punto de fusión, sin ninguna transformación alotrópica en el medio, por lo que se puede agregar una gran cantidad de aleación sin que la estructura se reorganice debajo. El hierro se transforma, lo que pone un límite a la química que llevará una base de hierro antes de que las propiedades se vuelvan inestables.

¿Cuál es la diferencia entre la matriz y el precipitado?

La matriz, escrita γ, es una solución sólida cúbica centrada en las caras con una distribución aleatoria de átomos y es la fase continua. El precipitado, escrito γ′, es un compuesto intermetálico de la forma Ni₃Al o Ni₃(Al,Ti) con una red cúbica primitiva, en la que el níquel se encuentra en los centros de las caras y el aluminio o el titanio en las esquinas. Las dos redes alinean celda por celda, lo que se llama relación cubo-cubo y hace que la partícula sea coherente con la matriz mientras es pequeña.

¿Por qué el precipitado fortalece la aleación a temperatura?

Tres efectos que se refuerzan mutuamente. La interfaz entre las dos fases tiene poca energía porque las redes coinciden, por lo que las partículas resisten el engrosamiento y la estructura se mantiene estable. La partícula está ordenada atómicamente y ese orden obstruye el movimiento de las dislocaciones. Y debido a que el engrosamiento se debe a la reducción de la energía interfacial, la interfaz coherente ralentiza el proceso que, de otro modo, suavizaría la aleación. Los datos publicados también muestran que la resistencia se mantiene casi plana con una temperatura de aproximadamente 600 °C antes de que la activación térmica se haga cargo.

¿Es siempre mejor un mayor contenido de aleación?

No. El límite se alcanza cuando la aleación comienza a formar fases que no estaban previstas, y las fases topológicamente compactas son las que hay que vigilar. Sigma se describe en la literatura publicada como el más nocivo de ellos. Estas fases son frágiles en sí mismas, y además eliminan cromo, molibdeno y elementos similares de la matriz, por lo que la aleación pierde el refuerzo que llevaba además de ganar un constituyente frágil. No existe una regla sencilla para el límite, que debe leerse o medirse en el diagrama de fases del sistema.

¿Dónde encaja una aleación de precisión?

Es una aleación a base de níquel elegida por una respuesta física en lugar de mecánica. Los grados magnéticos blandos con alrededor del 80 % de níquel son el ejemplo más claro: la propiedad que se está comprando es una alta permeabilidad con baja coercitividad, lo que hace que el material sea útil como núcleo en lugar de como pieza estructural. Éste es un requisito de diseño diferente de la resistencia a la fluencia, y las dos categorías se especifican de diferentes maneras.

Resumen

Una aleación a base de níquel es aquella en la que el níquel forma la fase continua, y es esa matriz, no la aplicación, la que coloca a una aleación en la familia. Se elige el níquel como base porque permanece cúbico centrado en las caras desde la temperatura ambiente hasta que se funde, lo que permite que la estructura acepte más aleación de la que aceptaría una base de hierro. La fuerza proviene de elementos mantenidos en solución y de un precipitado ordenado, γ′, que alinea célula por célula con la matriz y es coherente con ella. Las adiciones de límites de grano y los carburos actúan en los límites. La fracción útil de ese precipitado oscila entre aproximadamente 0,2, cuando la pieza debe soldarse a unos 750 °C, y más de 0,6 en hojas que funcionan a más de 1.000 °C.

El material a base de níquel se suministra desde Changzhou, Jiangsu en las categorías anteriores: grados de níquel puro y níquel-cobre, las familias de níquel-cromo y níquel-cromo-hierro, los grados de níquel-molibdeno resistentes a la corrosión, las aleaciones de resistencia y calentamiento, y los grados de precisión, en barras, alambres, tiras, placas y tubos. La planta cuenta con la certificación ISO 9001 y está auditada por SGS. Envíe el medio de servicio o la temperatura de servicio y la forma requerida, y de ahí se desprende la categoría.

Referencias

1. Material didáctico publicado sobre superaleaciones a base de níquel, Departamento de Ciencia de Materiales y Metalurgia de la Universidad de Cambridge. Fuente para la definición de una superaleación como servicio por encima de aproximadamente 0,7 de la temperatura de fusión absoluta, la afirmación de que las superaleaciones pueden basarse en hierro, cobalto o níquel, siendo el níquel el más adecuado para el trabajo de motores aeronáuticos, las descripciones reticulares de la matriz y el precipitado, la relación y coherencia de orientación cubo-cubo, el mecanismo por el cual el orden atómico obstruye las dislocaciones, la baja energía interfacial y su efecto sobre el engrosamiento, la relación aluminio a titanio y la red. inadaptado, las fracciones de precipitado publicadas de 0,6 y 0,2, el límite de 600 grados C para la insensibilidad a la temperatura y el papel de cada elemento de aleación.
2. La misma fuente, sobre las fases a evitar. Apoya la sección sobre las fases que se forman involuntariamente: la descripción de sigma y mu como fases topológicamente compactas; siendo sigma el más nocivo del grupo; la morfología de la placa y la aguja y su efecto sobre la ductilidad y la vida de rotura por fluencia; y la afirmación de que no existe una regla simple que gobierne las concentraciones críticas, por lo que el límite debe leerse en un diagrama de fases o medirse.
3. La misma fuente, sobre adiciones de límites de grano y carburos. Respalda la sección sobre fijación de los límites de grano: boro y circonio se segregan en los límites con la mejora asociada en la resistencia a la fluencia y la ductilidad; y elementos formadores de carburo que precipitan en los límites y reducen el deslizamiento a lo largo de ellos.
4. Descripción cristalográfica publicada del precipitado ordenado. Fuente de la fórmula Ni₃Al, Ni₃Ti o Ni₃(Al,Ti), la disposición cúbica primitiva con níquel en los centros de las caras, la nota de que la fase no es estrictamente estequiométrica y la partición del niobio y el tantalio en ella.
5. Revisión metalúrgica publicada de la fase ordenada en superaleaciones ricas en níquel. Fuente para la descripción del precipitado como una A coherente ordenada₃Compuesto intermetálico tipo B y para el segundo precipitado a base de niobio.
6. Base de níquel y estructura cúbica centrada en las caras según lo publicado para el elemento. Fuente de la afirmación de que la matriz no cambia de forma cristalina entre la temperatura ambiente y el punto de fusión.
7. Datos de producto retenidos para productos de níquel y aleaciones de níquel DLX Alloy. Fuente de las categorías, formularios y condiciones suministradas.

Las figuras y descripciones estructurales citadas son valores publicados y no son límites de aceptación. Las fracciones de precipitación y los límites de aleación dependen de la química individual, del tratamiento térmico y del tamaño de la sección, y ninguna regla general reemplaza un diagrama de fases para el sistema en cuestión. La aceptación de un material entregado depende del certificado de prueba del molino para el calor suministrado.